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Zephy's Blog

Ansichten eines Technikers aus Leidenschaft

04.10.2017 14:15    |    Zephyroth    |    Kommentare (46)    |   Stichworte: DSG, E-Auto, Elektoantrieb, Elektromobilität, Ioniq

Immer wieder stolpere ich hier über Posts, wo die Frage gestellt wird, warum ein EV kein schaltbares Getriebe braucht. Oft wird, wenn es um Elektromotoren geht in Bahnen eines Verbrenners gedacht, was aber aufgrund der komplett anderen Funktionsweise zu einem falschen Denkmodell führt.

 

Zum einen besteht ein Elektroantrieb nicht nur aus dem Motor selbst, sondern dem Akku und auch dem Wechselrichter mit dem der E-Motor letztendlich angesteuert wird. Erst in diesem Verbund ergibt sich eine bestimmte Leistungscharakteristik.

 

Hier einmal eine stark vereinfachte Erklärung der wichtigsten Komponenten:

 

E-Motor: Dieser besitzt zwei wesentliche Kenngrößen, die über den Drehzahlbereich nahezu konstant bleiben. Zum einen Die Drehzahlkonstante und die Drehmomentkonstante. Die Drehzahlkonstante (üblicherweise krpm/V) gibt an, wieviel Drehzahl der Motor pro Volt liefert. Die Drehmomentkonstante (üblicherweise Nm/A) gibt an, wieviel Drehmoment der Motor pro Ampere liefert.

 

Damit haben wir auch schon die zwei wichtigen Eigenschaften eines (idealen) E-Motors zusammen. Speist man ihn mit konstanter Spannung, liefert er eine konstante Drehzahl. Der Strom stellt sich dann gemäß dem geforderten Drehmoments ein. Umgekehrt bedeutet konstanter Strom, ein konstantes Drehmoment, das zwischen Stillstand bis Maximaldrehzahl gehalten wird.

 

Wechselrichter: Üblicherweise haben die in KFZ verwendeten E-Motoren 3 Phasen, die mit Wechselstrom betrieben werden müssen. Diese Ansteuerung übernimmt der Wechselrichter, ebenso wie die richtige Steuerung von Motorspannung und -strom. Er übernimmt quasi die Getriebefunktion

 

Akku: Klar, ist der Energiespeicher. Wichtiger für die Betrachtung der Leistungscharakteristik ist aber die maximale Abgabeleistung, denn was der Akku nicht liefert, kann der Motor nicht abgeben.

 

Nun wissen wir alles, um eine Leistungscharakteristik zu erstellen, hier jene des Hyundai Ioniq.

Der Motor wird angegeben mit 88kW, 295Nm und eine Höchstgeschwindigkeit von 165km/h bei einer Untersetzung von 7.412:1. Mit dem Reifendurchmesser ergibt sich so eine Maximaldrehzahl des Motors von 11600U/min.

 

Leistungs-/Drehmomentverlauf Hyundai IoniqLeistungs-/Drehmomentverlauf Hyundai Ioniq Auf dem Bild sieht man 2 Bereiche. Den Bereich des maximalen Drehmoments. Dies wird begrenzt durch den maximal zulässigen Strom der Motorwicklungen. Bei 2850U/min hat der Antrieb seine Nennleistung von 88kW erreicht. Diese wird üblicherweise begrenzt durch die maximale Abgabeleistung des Akkus. Der Wechselrichter sorgt nun dafür, das die konstante Leistung aus dem Akku umgeformt wird in eine der Drehzahl angepassten Spannung inklusive dem dazugehörigen Strom. Mit steigender Drehzahl muß das maximal verfügbare Drehmoment folgerichtig sinken. Nichts anderes macht auch das Getriebe beim Verbrenner. Es wandelt die konstante Eingangsleistung des Verbrenners um in Raddrehzahlen und Momente die für die benötigte Geschwindigkeit passend sind. Daher die vorher erwähnte Äquivalenz von Wechselrichter und Getriebe.

 

Um dies zu verdeutlichen habe ich nun ein Radzugdiagramm für den Ioniq und einem äquivalenten Verbrenner (basierend auf dem 1.4TSI mit 125PS und 200Nm) erstellt und verglichen:

 

E-Motor vs. 6-Gang-VerbrennerE-Motor vs. 6-Gang-Verbrenner Wenig überraschend zeigt sich, das beide Fahrzeuge in jedem Geschwindigkeitsbereich ähnliche Radzugkräfte aufbringen können. Der Verbrenner liegt etwas über dem Ioniq, das sind die 5PS mehr. Natürlich ist zur Vereinfachung alles ohne Verluste gerechnet. Aber ich denke man sieht hier schön, das die Getriebefunktion bei einem E-Antriebsstrang quasi gratis mitgeliefert wird. Ab 165km/h zieht der Verbrenner davon, da der E-Motor ganz offensichtlich in die Drehzahlbegrenzung geht.

 

Man sieht, der E-Antrieb kommt gut ohne schaltbares Getriebe aus, zumal der Wirkungsgrad des Motors über weite Bereiche nahezu konstant hoch ist. Braucht man mehr Geschwindigkeitsbereich, wie beispielsweise Tesla mit Vmax 250km/h, dann ist es einfacher den Motor so zu konstruieren, das er höhere Drehzahlen effizient bewältigt als eine Schaltbox einzubauen.

 

Ich hoffe ich konnte etwas Klarheit in die Funktionsweise eines E-Antriebs bringen.

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06.10.2017 09:50    |    Hellhound1979

Guter und informativer Artikel, danke dafür.


06.10.2017 12:55    |    highforest1

Mit dem 2. Diagramm hast du wirklich klar gemacht was du meinst und das ganze grossartig beschrieben, danke dafür! Ich habe es jetzt endlich verstanden, weshalb keine Getriebe eingesetzt werden.

(Solche Diagramme zeigen übrigens oft auch auf dass die Diesel ("Drehmomentwunder") gar nicht soooo gut durchziehen, sondern vieles subjektiv ist.)

 

Nenn mich dumm, aber ich habe jetzt dennoch eine Frage: Wenn man den Ioniq-Elektromotor nun an ein 5-Gang-Gtriebe hängen würde, um die Drehzahl tiefer zu halten, könnte man dann nicht schneller und effizienter sein? Sprich dem Elektromotor eine künstliche Drehzahlgrenze von 3000 Upm einprogrammieren und ihn dann so 5 Gänge durchschalten lassen.

Ich sehe schon, dass es nicht nötig ist um mit dem Golf mitzuhalten. Dennoch frage ich mich, ob es evtl. zu besserer Beschleunigung führen könnte.

Zudem müsste der Motor bei Autobahntempo nicht bei 10'000 Upm, sondern vielleicht nur bei 2'800 Upm drehen. Wäre das nicht effizienter, materialschonender, leiser und weniger aggressiv zum fahren?


06.10.2017 13:38    |    Zephyroth

Nein, eine künstliche Drehzahlbegrenzung würde nichts bringen, wäre sogar kontraproduktiv, wenn es um Beschleunigung geht.

 

Wie ich schon beschrieben habe (und trotzdem die wenigsten verstehen) es beschleunigt immer die an den Rädern anliegende Leistung das Fahrzeug, nicht alleine das Motormoment. Würde ich jetzt den Ioniq-Motor auf 3000U/min begrenzen hätte er seine Maximalleistung nur ganz kurz zwischen 2850-3000U/min, darunter klebt er im maximalen Drehmoment, das aber mangels Drehzahl zu einer geringerern Leistung führt.

 

Gehen wir von einem Gedankenmodell aus, einem Ioniq der bei 3000U/min schaltet und der jeweils nächste Gang bei 1500U/min landet. Dann beschleunigt das Auto zwar mit konstantem Moment, aber einer nicht idealen Leistung, bei 1500U/min liegen nur 44kW, die sich dann bis 3000U/min auf 88kW steigern. Dh im Mittel wird das Auto nur von 66kW beschleunigt, anstatt wie es mit E-Motor möglich ist mit konstanten 88kW.

 

Vielleicht hätte der E-Motor untenrum etwas mehr Wirkungsgrad, da geht es aber um wenige % im einstelligen Bereich (3-5%), welche durch den Einbau eines zusätzlichen Getriebes mehr als aufgefressen würden. Der zusätzliche Aufwand, die höhere komplexität des Antriebs und der geringe Gewinn stehen dem entgegen. Sicher hat man bei höherer Drehzahl etwas mehr Reibung in den Lagern, da diese aber als Wälzlager ausgeführt sind, hält sich das sehr in Grenzen. Bei einem E-Motor gleitet normalerweise nichts, was zu hoher Verlustleistung führt. Beim Verbrenner sind alle Lager als Gleitlager ausgeführt, die deutlich mehr Reibung erzeugen. Bei einem E-Motor muß auch keine Hin-Her-Bewegung in eine Drehung umgewandelt werden, ein E-Motor läuft absolut ruhig und geräuschlos.

 

Ich bin einen Ioniq gefahren, zwar nur bis 100 (immerhin 7000U/min am E-Motor), aber alles was man hört waren Windgeräusche und ein leichtes Zirpen des Wechselrichters. Der Motor war absolut geräuschlos.

 

Grüße,

Zeph


06.10.2017 14:17    |    highforest1

Ich habe das ganze jetzt noch in eine mal selbst entwickelte Tabelle zur Berechnung der Radzugkraft eingegeben. Mit Hilfe deiner Erklärungen habe ich es jetzt begriffen.

Dickes Danke!


06.10.2017 17:54    |    Auric

Vielen Dank dafür, evtl. hilft es dem einem oder anderen zu kapieren dass so ein Getriebe nur eine Hilfskrücke für ein Antriebsmotor ist der ohne eine Mindestdrehzahl (Leerlauf) verreckt und einen derart beschränkten nutzbaren Drehzahlbereich und Drehmomentverlauf hat das er verschiedene Endübersetzungen benötigt.

 

Der Neodymfreie Tesla Asynchronmotor dreht übrigens 18'000 min-1 https://www.youtube.com/watch?v=PULkWGHeIQQ#t=43m20s

 

(es wird natürlich schon verschiedene Endübersetzungen in Elektrofahrzeuge geben, aber das eher in Nutzfahrzeugen/Traktoren etc..)


06.10.2017 23:00    |    Multimeter77

Zitat:

Vielen Dank dafür, evtl. hilft es dem einem oder anderen zu kapieren dass so ein Getriebe nur eine Hilfskrücke für ein Antriebsmotor ist

Der Abfällige Ton ist völlig unangebracht. Die Fakten zum Thema schaltendes Getriebe und e-Motor lauten:

 

1. Ein E-Auto ist für die Stadt gebaut. Bis 50km/h laufen alle E-Autos recht effizient, da wäre so ein Getriebe nur unnötiger Balast. Ein schwereres Auto braucht mehr Strom, größere Batterien etc.

 

2. Wenn du schnell fahren willst: Das Getriebe bezahlt der Hersteller, den Strom bezahlts du. Ein Motor den man tief in die Feldschwächung jagen kann ist viel viel billiger als die Kombination aus einem effizienten Automatikgetriebe und einem Motor mit kurzen Drehzahlband.

 

Egal ob die Hersteller Asynchronmotoren (Tesla), fremderregte Synchronmotoren (Renault) oder permanent erregte synchronmotoren nehmen: Für alle drei Motorenkonzepte gibt es hocheffiziente Industriemotoren mit Wirkungsgraden von 98,5% bei Nenndrehzahl, dummerweise von Nenndrehzahlen (je nach Polpaarzahl) von ca. 750-2000rpm, Feldschwächung bis max. 8000rpm. Die Hochdrehzahlmotoren im Automobilbau sind von Hause aus schwach erregte Maschinen, d.h. bezogen auf die eingesetzte Kupfer- und Neodym-Mengen wird relativ wenig Drehmoment aus dem Motor geholt. Wirkungsgrade liegen im Idealfall bei ~92-95%, Bezogen nur auf den Motor ohne Wechselrichter, Batterie etc.

 

Wenn die Hersteller also so weit sind, dass Getriebe leichter, kleiner und billiger sind und Neodym plötzlich extrem billig wird, haben wir auch wieder E-Autos mit 4-Gang Automatikgetriebe. Da das zweite vermutlich nicht passieren wird, werden wir weiterhin bis an die mechanische Grenzdrehzahl hochgejagte Asynchronmaschinen als technischen Fortschritt feiern.


07.10.2017 10:23    |    Zephyroth

Automatikgetriebe, teurere Magneten etc. für 8% mehr Wirkungsgrad? Klar, bei einem Verbrenner würde sich das sofort auszahlen um von 35% auf 42% zu kommen. Aber bei einem E-Motor der eh schon 90% hat? Vorallem, diese 8% verliert man schnell wieder durch das zusätzliche Gewicht und den Wirkungsgrad des Getriebes selbst. In mehr Reichweite würde das wohl kaum resultieren.

 

Grüße,

Zeph


07.10.2017 14:33    |    Jan565

Es geht da eher um die Haltbarkeit des E-Motors und darum das durch weniger Drehzahl auch weniger Strom genommen wird.

 

Von den aktuellen E- Autos halte ich eh gar nichts, viel zu teuer, wie zu wenig Reichweite und vor allem, wer sagt mir, dass ein E- Auto ohne Probleme 300tkm-500tkm und mehr schafft? Beim Verbrenner kann ich mir da mit richtiger Pflege zu 100% sicher sein.


07.10.2017 19:30    |    Zephyroth

Die Stromersparnis ist minimal, habe ich schon vorher erläutert. Man würde durch ein schaltbares Getriebe nur unnötige Komplexität hinzufügen.

 

Dann wären wir auch schon beim anderen Thema: Haltbarkeit!

 

Beinahe jeder Elektromotor übertrifft einen (PKW-)Verbrenner bei Haltbarkeit und Verschleiß um ein Vielfaches. Selbst ein trivialer Staubsaugermotor ist auf 600h Volllast ausgelegt und das mit Kohlebürsten. Ich glaube kaum, das ein PKW-Motor 120.000km (600h mit 200km/h, mit einem 150PS-Motor) ohne weiteres durchhalten würde. Von 10000h aufwärts, was für Drehstrommaschinen ganz normal ist, reden wir hier noch nicht mal.

 

Das einzige was beim BEV verschleißt ist der Akku. Und selbst jetzt gibt es schon genug Model S mit über 300.000km auf der Uhr und unzählige Hybride von Toyota, deren Akku immer noch einwandfrei ist.

 

Man kann einem BEV viel nachsagen, Preis, Reichweite oder auch ungenügende Ladezeiten, aber gerade Zuverlässigkeit ist der große Pluspunkt. Der ist sogar so positiv, das sich die Werkstätten um ihren Umsatz sorgen.

 

Grüße,

Zeph


07.10.2017 20:03    |    Auric

@etwina: es gibt da auf dem 4. grössten Automarkt der Welt ein Land das ungefähr 1/3 des Marktes ausmacht und in dem 1.2 % der Strassen kein Tempolimit haben....

 

Und dafür sollen die globalen Hersteller Getriebe entwickeln?

 

Einfach aus dem Elfenbeinturm raus kommen und der Realität ins Auge schauen, ein Luftwiderstand der im Quadrat zur Geschwindigkeit steigt zu optimieren ist um so vieles sinnvoller als ein paar Prozent bei Elektromotor bei hohen Drehzahlen zu suchen.

 

@Zeph, Es wird noch mindestens eine Generation dauern bis die Allgemeinheit realisiert wie gut ein Drehstrommotor gegenüber einem Knalltreibling ist.


07.10.2017 20:43    |    Zephyroth

Ich sehe auch nicht dass Problem, ein rundes Ding mit 18.000U/min laufen zu lassen. Das ein auf oszillierenden Bewegungen basierender Motor damit Probleme hat, liegt auf der Hand.


08.10.2017 09:43    |    LtLTSmash

Um mal kurz auf das Thema Haltbarkeit einzugehen, natürlich sind die Verbrenner in der Lage 600h und mehr Nennleistung zu liefern. Das geht sogar viel länger, da dies gar nicht so kritisch ist. Verschleiß hat eine verbrenner eigentlich nur, wenn der Motor kalt ist und das Öl noch nicht im motor verteilt ist. Darin liegt dann auch neben der richtigen Pflege der Grund warum die laufleistungen der Pkw Motoren so unterschiedlich ausfallen. Motoren die im Dauerbetrieb laufen, wie Taxis zum Beispiel erreichen ja auch durchaus die Millionenmarke, bei Lkws ist das sogar Standard. Und die Haltbarkeit der e-maschinen wird sich, wenn man in die kostensensitive Massenproduktion übergeht und die Nutzer nicht nur überzeugungstäter sind, sondern auch Leute die ihr Auto ordentlich mishandeln, bestimmt nicht positiv entwickeln, wobei wohl eher der Akku das Problem werden könnte. Ist wie beim Turbo beim verbrenner, hier gibt es ein paar Leitlinien für längere Haltbarkeit, wie z.b. Nicht heiß abstellen, aber da hält sich nicht jeder dran.

Ansonsten ist der Motor meist ja nicht der Grund warum ein Pkw verschrottet wird, und die Komponenten wie z. B. Fahrwerk sind ja vom Antrieb unabhängig. Um 200tsdkm zu erreichen sind die meisten eh 10 bis 20 Jahre unterwegs und da machen andere Dinge Probleme.

 

Ansonsten guter Artikel, der dem Titel warum ein E-Auto nicht unbedingt ein Getriebe benötigt, gerecht wird. Wir haben ja schon mal drüber geschrieben, und ich denke durchaus, das sich ein 2 oder 3 Gang Getriebe aus effizienzgründen durchaus lohnen könnte um die mechanischen Verluste zu reduzieren, gerade wenn das Auto viel bei hohen Geschwindigkeiten bewegt werden soll, aber du hast natürlich recht, das dies bezogen auf den gesamtwirkungsgrad der Systems nicht mehr so grossen Einfluss hat.


08.10.2017 18:08    |    Zephyroth

Gut, um die Haltbarkeit von Verbrennern geht's hier auch nicht. Sei dahingestellt. Man kriegt beides haltbar hin.

 

Aber zu den mechanischen Verlusten: Welche genau willst du mit einem Getriebe reduzieren? Die Räder müssen die Geschwindigkeit erreichen, folglich auch die notwendige Drehzahl. Gleiches gilt für den Endantrieb und das Differenzial. Dazwischen das Getriebe mit seinen schaltbaren Gängen, das am Ausgang also in jedem Fall die hohe Enddrehzahl liefern muß, folglich auch die gleichen Verluste wie ein festes Getriebe hat. Einzig die Verluste in den beiden Lagern des Motors kannst du etwas reduzieren.

 

Grüße,

Zeph


08.10.2017 20:02    |    eddy_mx

Toller Artikel und Stoff zum Nachdenken - danke dafür.

 

Ich frage mich, warum man bei Verbrennern nicht das gleiche Prinzip nutzt wie es beispielsweise Diesel-Loks tun: Der Motor erzeugt die nötige Energie und gibt diese dann an mehrere Elektromotoren weiter.

So ließe sich nicht nur ein günstiger/günstigerer Verbrauch, sondern durch bspw. jeweils einem kleinen Elektromotor pro Rad oder auch nur Achse die Leistung auch besser steuern. Es kann doch nicht daran liegen, dass die Leute Abstand von allem was Variomatik-ähnlich ist nehmen und lieber feste Gänge haben wollen.

Ich finde es einen interessanten Gedanken.


08.10.2017 21:25    |    Zephyroth

Zum einen kommt das Automobil aus dem Anfang des 20. Jahrhunderts, die notwendige Leistungselektronik war einfach nicht verfügbar. Und auch als man das im Griff hatte, passten die Wechselrichter, Generatoren und Motoren nur in dieselelektrische Loks. Vorallem, da war das Gewicht sogar erwünscht.

 

Ein System wie du es vorschlägst verfolgt Honda mit seinem i-MMD. Hier treibt der Verbrenner immer einen Generator an, die Räder werden von einem E-Motor angetrieben. Dh die Übersetzung wird mit einem Wechselrichter festgelegt. Zusätzlich kann man mit überschüssiger Energie vom Verbrenner den Akku laden, umgekehrt zusätzlich zum Verbrenner kann der Akku Leistung beisteuern. Zusätzlich sitzt eine Kupplung zwischen Generator und Motor, diese wird bei hohen Geschwindigkeiten geschlossen und der Verbrenner treibt direkt die Räder. In diesem Modus kann der E-Motor trotzdem noch mit Drehmoment (Energie aus dem Akku) aushelfen.

 

Grüße,

Zeph


08.10.2017 23:48    |    draine

Mag sein das es aus technischer Sicht nicht notwendig ist, da der E-Motor nur das verbraucht was man abruft und kein kompliziertes Muscheldiagramm wie ein Verbrenner hat. Jedoch tue ich mich trotzdem damit schwer, das der Motor bei geringer Leistungsanforderung (z.B. Autobahn 120 km/h) dann schon mit 7.000 Umdrehungen und mehr drehen soll. Bei Tesla wurden z.B. reihenweise E-Motoren (Drive-Units) getauscht, die halten da im Schnitt nicht mal 100.000 km. Man könnte wenigstens einen Overdrive verbauen, Getriebe haben ja heutzutage eine lächerlich geringe Ausfallrate.


09.10.2017 08:18    |    LtLTSmash

Um das Thema mechanische Verluste nochmal kurz zu konkretisieren. Ich weiß nicht, ob in nem E-Auto antrieb wirklich nur 2 Lagerstellen mit Motordrehzahl vorhanden sind (ich hätte vermutet, dass das antriebsritzel beidseitig gelagert wird) aber im Prinzip ist das das Potential. Meine maschinenelemente Vorlesung ist schon etwas her, aber die lagerreibung müsste mit Drehzahl zunehmen. Das erzeugte Drehmoment nimmt hingegen mit der Drehzahl ab, wenn die Leistung gleich bleibt. In deinem Diagramm geht es um die maximale last. Wenn du aber z.B. konstant 100 fahren möchtest dreht der Motor in deinem Beispiel ca. 6500rpm und ein ioniq wird vermutlich etwas weniger als 10kW dafür als antriebsleistung benötigen. Das heißt der Motor macht gerade mal 15 Nm, das wird die lagerreibung, wenn auch absolut nicht so hoch, relativ gesehen doch schon relevant. Man muss natürlich schauen, was z.B. ein 2 Gang Getriebe an Zusatzreibung verursacht und das Potential wird nicht riesengroß sein, aber bei bestimmten Anwendungen durchaus vorhanden.


09.10.2017 08:40    |    Zephyroth

@draine

 

Was bei Tesla ist, weis ich nicht genau. Ich weis nur, das viele DU's wegen Geräuschen vorsorglich und ohne weitere Untersuchungen getauscht wurden. Bei den meisten stellte sich heraus, das sie aus technischer Sicht völlig einwandfrei waren. Ich kann mich dunkel erinnern das irgendwas mit einer Distanzscheibe war, die diese Geräusche verursacht hat. Aber es war jedenfalls lag's nicht am Wechselrichter oder E-Motor.

 

Man kann sich beim E-Motor getrost von der Vorstellung verabschieden, das niedrige Drehzahlen große Vorteile bieten wie beim Verbrenner. Das die Dinger halten, beweisen Millionen von Eisenbahnkilometer in Hochgeschwindigkeitszügen (ICE, TGV oder Shinkansen), die ebenfalls über keine schaltbaren Getriebe verfügen. Klar sind diese Maschinen andere Leistungsklassen, aber vom Prinzip her genau dasselbe.

 

Bei einem E-Motor im Auto schleift nichts (Ausnahme: fremderregte Synchronmaschinen wie beim Renault Zoe) am Läufer. Die einzigen Komponenten mit Verschleiss sind die beiden Motorlager, die als Wälzlager ausgeführt sind und das darauffolgende Getriebe. Wälzlager kann man sehr gut berechnen was Lebensdauer angeht, ich glaube kaum das es hier ein Problem geben wird.

 

@LtLTSmash

 

Ja, die Verlustleistung in einem Lager nimmt mit der Drehzahl linear zu, geht man davon aus, das das Reibmoment konstant bleibt. Allerdings sind die Reibverluste in einem Wälzlager um Größenordnungen kleiner als in einem Gleitlager (wie sie bei Verbrennern verbaut sind). Aber grundsätzlich hast du recht, durch das abnehmende Drehmoment wird das Reibmoment immer relevanter.

 

Grüße,

Zeph


09.10.2017 12:52    |    tomS

Getriebe steht auch manchem Elektro gut zu Gesicht.

Nicht nur bei der heimischen Ständer-Bohrmaschine oder Drehbank, schon bei Kleinkraftrad-Elektrorollern ist es gang und gäbe. Sonst könnten heftige Steigungen nämlich ein heißes Problem werden (viele Ampere).

Die Tesla-Klasse mit ihrem USA-typischem gewaltigem Leistungsüberschuß ist da kein allgemen gültiger Maßstab.


09.10.2017 13:45    |    Zephyroth

Bei Arbeitsgeräten wie einer Bohrmaschine oder Drehbank gibt's einen guten Grund für das Getriebe: Die Drehzahl der Motoren ist fest, dh sie kann nicht geändert werden, folglich muß ein Getriebe das übernehmen.

 

Die Roller die ich kenne, haben einen Radnabenmotor, also auch kein Getriebe. Aber ich hab' ein paar Umbaukits gefunden, die auf ein CVT setzen. Gut, kann man machen, muß man aber nicht.

 

Der Leistungsüberschuß dürfte sich bei Zoe, Leaf, Ioniq etc. aber in Grenzen halten. Diese haben ebenfalls kein schaltbares Getriebe und trotzdem funktionieren sie einwandfrei.

 

Mir will einfach nicht in den Kopf, wieviele sich (anstatt sich zu freuen, das Dinge mal einfacher werden) ein Getriebe bei einem Elektromotor wünschen. Vermisst man das manuelle Schalten so stark, will man auf die Schaltrucke nicht verzichten? Was ist wirklich der Grund? Der Zugewinn an Effzienz ist es jedenfalls nicht, denn der ist, falls überhaupt vorhanden minimal und rechtfertigt in keiner Weise den Aufwand.

 

Grüße,

Zeph


09.10.2017 16:20    |    tomS

Ich kenne E-Roller auch mit 2-Gang-Automatik. Also nichts mit unbedingt manuell schalten wollen.

Ist hilfreich, wenn man aus der Tiefgarage etc. die Rampe hochkommen will. (Oder schon gar nicht in den Niederlanden lebt.)

Stichwort Anfahrstrombegrenzung (z.B. auf 40A, während in der Fahrt bis zu 105A erlaubt sind).

Da gibt es Leichtkraftradroller (also bereits die mittlere Klasse) die beim Anfahren in 10% scheitern, aber in Fahrt auch 20% hochkommen.


09.10.2017 23:06    |    Auric

@tomS:

 

Haben diese E-Roller Drehstrom Motoren und einen Wechselrichter vorne dran oder doch eher Gleichstrommotoren die natürlich in dem Leistungsbereich wesentlich billiger sind?


10.10.2017 04:02    |    draine

Was für Bohrmaschinen sollen das sein? Jeder mit bekannte Billigbohrer kann durch unterschiedlich starkes Drücken in der Drehzahl variiert werden. Das Getriebe dient dann zusätzlich dazu das Drehmoment zu erhöhen wenn nötig.


10.10.2017 07:17    |    Zephyroth

Fast jede Ständerbohrmaschine. Handbohrmaschinen sind regelbar, das ist richtig. Die sind übrigens ein gutes Beispiel, warum man die E-Motoren so hoch drehen lässt: Leistungsdichte!

 

Selbst mit teuren Magneten erreicht man ein Limit was an Drehmoment pro Ampere Strom möglich ist, ähnlich einem Saugmotor. Nur gibt's hier keine Aufladung, ergo muss die Drehzahl hoch, will man den Motor nicht größer bauen. Bei einer Handbohrmaschine wäre es blöd wenn der Motor 4kg wiegen würde. Die Gänge sind dazu da, Drehmoment und Drehzahl an die Aufgabe anzupassen, da diese vorher nicht bekannt ist, im Gegensatz zum Auto.

 

Grüße,

Zeph


10.10.2017 17:21    |    senn

Sehr guter Artikel, vielen Dank dafür!

Man braucht tatsächlich kein Getriebe mehr.

Vielleicht trägt aber auch die Industrie selbst zur Verwirrung bei. Bosch bietet mit der im Januar in Detroit vorgestellten eaxle http://www.bosch-presse.de/.../...bssystem-eaxle-von-bosch-113101.html ein integriertes System an, das den Antriebsstrang revolutionieren soll - und da ist ein Getriebe mit von der Partie.

Ich sehe es pragmatisch, im unteren Leistungsbereich reicht ein Elektromotor vollkommen aus, aber für hohe Leistung scheint ein Getriebe sehr sinnvoll.


10.10.2017 17:24    |    senn

Und was passiert dann mit dem Vorsprung durch Technik?

Wie wird Audi den Quattro-Vorteil künftig technisch umsetzen?


10.10.2017 17:35    |    draine

Welchen Quattro-Vorteil? Man ist doch schon dazu über gegangen den so berühmten Quattro-Allrad zu einem Hang-On System zu machen, der sich nur nach Bedarf dazu schaltet.


10.10.2017 18:48    |    myinfo

@Zephyroth: Danke für den interessanten Artikel.

 

Als Laie habe ich (noch ;)) keinen Plan vom Thema, jedoch dies gefunden:

 

 

 

AMS, 10.10.17, IAV E-ANTRIEBSMODUL, Mehr Gänge für mehr Komfort - Uli Baumann

 

"Automobilentwickler IAV hat auf dem Aachener Motorenkolloquium sein weiterentwickeltes elektrisches Antriebsmodul vorgestellt. Das neue, bis zu dreistufige Getriebe soll dessen Einsatzbandbreite vergrößern."

 

(...)

 

... Das Planetengetriebe mit maximal drei Gängen ist seitlich neben dem E-Motor angebracht und kann Abtriebsdrehmomente von bis zu 3.000 Newtonmetern erzeugen. Zugleich kann damit die maximale Drehzahl des Motors auf 8.000 Umdrehungen pro Minute begrenzt werden. Das Differential ist im E-Motor untergebracht, um den knappen Bauraum optimal auszunutzen. Die variablen Übersetzungsverhältnisse sollen darüber hinaus die elektrischen Reichweiten um fünf bis zehn Prozent steigern können.

 

(...)"

 

 

 

 

VG myinfo


11.10.2017 09:47    |    LiMe55

Soweit ich weiß, übersetzt Tesla bei den Allrad-Modellen die Achsen unterschiedlich. Hinten kürzer für mehr Bumms beim anfahren und vorne länger für effiziente Hochgeschwindigkeit. Daher haben die D-Modelle auch mehr Reichweite.


11.10.2017 11:54    |    Zephyroth

Was bei E-Maschinen noch dazukommt ist der quadratische Anstieg der Wicklungsverluste mit dem Strom. Dh doppelter Strom (=doppeltes Drehmoment) bedeutet 4-fache Verlustleistung, während die Reibungsverluste in den Lagern nur linear mit der Drehzahl steigen, ebenso wie magnetischen Verluste im Eisenkreis. In dem Fall ist es günstiger den Motor sehr hoch drehen zu lassen, als die Leistung über ein hohes Drehmoment zu erzeugen.

 

Erzeuge ich also die 88kW beim Ioniq mit Zwischengetriebe und nur 5800U/min bei ~150Nm statt 11.600U/min und 75Nm, verdopple ich die Stromaufnahme der Wicklungen, sprich ich habe die vierfache Verlustleistung in der Wicklung als ohne Getriebe.

 

Das was aber bei meinen Motoren (hatte beruflich damit zu tun) Probleme machte, war immer die Verlustleistung in den Wicklungen, nicht die Eisen- oder Reibungsverluste.

 

Grüße,

Zeph


11.10.2017 20:25    |    LtLTSmash

Ich hab mal ein wenig gegoogelt und diese beiden Kennfelder gefunden:

Bild 1: https://...omobilitaet.fraunhofer.de/.../radnabenmotor.html

Bild 2: http://www.compact-dynamics.de/.../

 

Ich bin ja bei den E-Motgoren nicht so bewandert und weiß nicht, wie repäsentativ die Kennfelder sind, aber wenn diese Kennfelder stimmen ist da durchaus etwas Potential, besonders bei Bild 2. Hier sieht man (zumindest sieht es so aus) den abfallenden Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten. In deinem Beispiel redest du ja von 90kW Leistung, das hast du ja nur in Bechleunigungsphasen, bei konstantfahrt beträgt die Leistung ja nur ne Bruchteil und da gehen die Momente richtig weit runter. Wir gesagt, das Potential ist nicht so riesig und auch nicht vergleichbar mit einem Verbrenner, der eine gänzlich anders Kennfeld aufweist, aber ich könnte mir vorstellen, das da noch ein paar Prozent holen könnte, wenn man will. Muss man natürlich gegen die Kosten rechnen aber wenn ich dadurch die Reichweite entsprechend verlängern kann, kann man ja evtl auch wieder beim Akku sparen. Abwarten, die E-Auito stehen nach wie vor am Anfang und da werden bestimmt nocht reichlich Konzepte und Ideen kommen.



12.10.2017 08:57    |    Zephyroth

Vielen Dank für die Kennfelder, hab' ich so auch noch nicht gesehen. Aber es entspricht im Wesentlichen dem, was ich erwarten würde. Bis auf die komische Farbgebung im 2. Bild (rot = hoher Wirkungsgrad, grün = niedriger Wirkungsgrad) vermitteln sie die gleichen Botschaften.

 

Ich erkläre es jetzt mal am ersten Bild, das ist zwar ein Radnaben-Motor mit relativ wenig Drehzahl, aber auch ein anderer E-Motor würde so aussehen, die Drehzahl ist letztendich nur ein konstruktiver Parameter, der über Windungszahl und Polpaarzahl beeinflußt wird.

 

Der schlechte Wirkungsgrad im linken Bereich, wo das volle Drehmoment geliefert wird, erklärt sich durch die Kupferverluste, die hier mit dem Drehmoment quadratisch ansteigen. Diese Verluste sind unabhängig von der Drehzahl konstant. Da die abgegebene Leistung aber Drehmoment x Drehzahl ist, wird klar, warum der Wirkungsgrad besser wird, je höher die Drehzahl des Motors.

 

Der mittelmäßige Wirkungsgrad rechts unten bei hohen Drehzahlen und niedrigen Momenten geht auf die mit der Drehzahl ansteigenden Magnetisierungsverlusten im Eisenkern und den Reibungsverlusten in den Lagern. Allerdings sind die, wie ich schon schrieb deutlich kleiner als die Kupferverluste.

 

Interessanter wird die ganze Sache, wenn man nun das benötigte Drehmoment zum halten einer Geschwindigkeit einzeichnet, wenn man unterstellt, das die Vmax bei 1450U/min erreicht wird.

 

Ich habe zwei Linien für das benötigte Drehmoment zum halten der Geschwindigkeit eingezeichnet. Einmal, so wie es mit einem Gang auslegen würde (bzw. beim Ioniq oder Tesla gemacht ist) in pink und dann einen 2. Gang der die Drehzahl auf die Hälfte reduziert (dafür wäre die Beschleunigung nur halb so groß, bzw. Bergfahrten schwerer).

 

Unterstelle ich eine Vmax von 180 (wenn vier solche Motoren im Auto sind, das wären dann ~64kW), hätten wir bei 130km/h (1050U/min) einen Wirkungsgrad von 89.5% im ersten Gang und 95% im 2. Gang. Hört sich im ersten Moment toll an, aber ein weiteres Getriebe hat ebenfalls Verluste. Was ich auf die schnelle gefunden habe ist ein Wirkungsgrad von 95-97% bei Zahnradgetrieben. Dh du gewinnst bei hoher Geschwindigkeit etwa 5%, verlierst durch das zusätzliche Getriebe aber 3-5%. Dh der ganze Aufwand bringt etwa 0-2% Ersparnis. Besser wäre es, wenn es sich vom Raddrehmoment ausgeht um auch Berge hochzukommen, den einen Gang etwas länger zu übersetzen, so das er die vmax bei etwa 1200U/min erreicht. Dann wäre der Motor über den gesamten Bereich über 91%, man hätte die 2% gewonnen, die man durch das Getriebe errungen hätte.

 

Ja, man kann mit einem Getriebe ein paar %-Punkte gewinnen, aber in der Gesamtbetrachtung ist es für den notwendigen Aufwand schon fraglich, ob es sich wirklich auszahlt. Beim Verbrenner sieht die Sache anders aus. Weder hat er einen Drehzahlbereich der weit genug ist um den vollen Geschwindigkeitsbereich abzudecken noch ist der Wirkungsgrad konstant hoch. Beim Verbrenner macht das Verschieben zu niedrigeren Drehzahlen und höheren Lasten hin schnell mal 10-15% mehr Wirkungsgrad aus. Beim Verbrenner ist halt 35% statt 20% gleich mal 1/3 weniger Verbrauch. Beim E-Motor ist eine Steigerung von 89% auf 92% nur ein Minderverbrauch von 3.3%.

 

Oder in Reichweite ausgedrückt, beim Verbrenner macht es einen Unterschied ob man 600km oder nur 400km kommt, beim E-Auto ist der Unterschied ob man 300km oder 310km kommt.

 

Was man ebenfalls noch schön sieht, der Bereich rechts unten, wo bei hohen Drehzahlen der Wirkungsgrad ebenfalls in den Keller geht wird in der Praxis nicht durchfahren, ist also irrelevant.

 

Grüße,

Zeph


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12.10.2017 21:26    |    LtLTSmash

Dem kann ich folgen, besonders in Bezug auf Bild 1. Bin nur etwas irritiert, warum Bild 2 (mal unabhängig von der unglücklichen Fahrwahl) bezüglich des Wirkungsgradverlaufs do etwas anders aussieht. Soll ja ein Motor für Hybrid und Leichtelektro Kfz sein und hier sieht man ja auch deutlicher den abnehmenden Wirkungsgrad mit niedriger last, würde hier etwas mehr Potential für Getriebe bieten. Bin als Maschinenbauer etwas iriitiert, das Motor 1 bei (scheinbar) 0 Nm so hohger Wirkungsgrade bietet, das ist eigentlich eher nicht möglich, aber vielleicht übersehe ich das etwas. Wär auf jeden Fal mal interessant zu wissen, welche E-Maschine so für kfZ denkbar/realistisch wären und wie deren Kennfelder so aussehen, aber ich befürchte wie bei den Verbrennungsmotoren sind die Daten der aktuellsten Maschine kaum öffentlich einsehbar.


12.10.2017 23:37    |    Zephyroth

Jetzt wo du es sagst, auch der Motor von Bild 1 beginnt mit der Achse nicht bei 0, sondern etwa 25Nm. Dann ist klar das hier der Wirkungsgrad >0 sein muß, denn Drehzahl x Drehmoment = Leistung. Das gleiche beim anderen Diagramm, nur hier beginnt die Y-Achse bei 0, nur die Werte sind erst ab etwa 10% Drehmoment eingezeichnet.

 

Ist eine von den beiden Größen (Drehzahl oder Drehmoment) 0, so ist auch der Wirkungsgrad 0, das erklärt auch, warum der Wirkungsgrad zu den Achsen hin abnehmend ist. Der Punkt des optimalen Wirkungsgrades muß also irgendwo bei halber Drehzahl und etwa halben maximalen Drehmoment sein, das zeigen sogar beide Diagramme.

 

Grüße,

Zeph


13.10.2017 06:48    |    LtLTSmash

stimmt, jetzt seh ich auch, das der erste y-Achsabschnitt etwas kürzer ist.Dann passt es ja, puh, die Physik funktioniert noch :-)


13.10.2017 10:25    |    bthight

Mir fehlt leider in dem Blogbeitrag ein ganz wichtiger! Punkt.

Nämlich die Abwägung zwischen innerem und äußeren Wirkungsgrad.

 

Ein E-Motor hat auch ein Kennfeld. Ein Getriebe hat auch einen Wirkgrad.

 

In der Formel E werden Getriebe verwendet.


13.10.2017 12:21    |    Zephyroth

Darüber unterhalte ich mich mit LtLTSmash die letzten paar Einträge hier. Er hat ein paar Diagramme dazu geliefert, ich habe dann die Fahrwiderstandskennlinie dazu eingezeichnet, wo man gut sieht, was passiert wenn man ein Getriebe einbaut.

 

Nebenbei habe ich auch das Kennfeld des von mir erwähnten Ioniq-Antriebs durchgerechnet. Mir fehlen leider die Verluste durch die Feldverzerrung, aber Wicklungsverluste, Reibverluste etc. sind drinnen. Sieht in etwa so aus wie das, was mir LtLTSmash geschickt hat.

 

Grüße,

Zeph


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14.10.2017 01:43    |    der_Derk

Zitat:

Wie ich schon beschrieben habe (und trotzdem die wenigsten verstehen) es beschleunigt immer die an den Rädern anliegende Leistung das Fahrzeug, nicht alleine das Motormoment.

... Halleluja, dass man das noch Lesen darf ;)

 

Leider gilt das Drehmoment am Getriebeeingang anscheinend immer noch als Maß der Dinge bei der Herstellerliteratur, Fahrzeugtest, und auch hier an vielen Stellen. Danke für den Artikel!

 

Wenn jetzt die Hersteller der Elektrofahrzeuge sich noch entscheiden könnten, ob sie die Dauerleistung oder kurzzeitige Maximalleistung als Hauptangabe in den technischen Daten nennen wollen (Ja, ich sehe Dich an, 13/8 kW-Twizy...). Aber ich fürchte, das wird sich ähnlich entwickeln wie PMPO-Leistungsangaben im Audiobereich. Viel hilft viel.


04.11.2017 10:38    |    Trackback

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Diesel FAQ

 

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https://www.motor-talk.de/.../...in-schaltbares-getriebe-t6157251.html

 

Grüße,

Zeph

[...]

 

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